JP5168468B2 - 偏波分散モニタ方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は光通信システムにおける偏波分散モニタ技術に係り、特に複数の直線偏波状態の光信号を多重化した偏波多重光の偏波分散モニタ方法および装置に関する。

近年、通信容量拡大により、光信号チャネルあたりの伝送速度が１０Ｇｂ／ｓ超級が実用化されており、１００Ｇｂ／ｓ超級の研究開発も活発になってきている。たとえば光信号１チャネルあたり１００Ｇｂ／ｓ超級を実現する手段の一つとして、直交する二つの直線偏波状態の光に５０Ｇｂ／ｓずつの信号を割り当て、光領域で偏波合成して１００Ｇｂ／ｓの光信号とする偏波多重方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この偏波多重方式は、送受信器を構成する電気デバイスに要求される動作速度が、伝送信号速度の半分ですむという利点があるため、電気デバイスを改良することなく伝送信号の多重度を上げ伝送コストを低減できる優れた技術の一つである。

他方、伝送信号速度の上昇により、偏波分散に起因する波形歪みの影響が大きくなるという問題がある。高速伝送での光パルスの波形歪みはシンボル間干渉を引き起こすので、誤りのない信号送受信を行うためには偏波分散補償を行うことが一つの解決策である。この偏波分散補償方法としては、たとえば受信光の偏波分散を検出して偏波分散を打ち消すように偏波制御を行う方法などが提案されている（たとえば特許文献１、特許文献２を参照）。このような偏波分散補償を行うには、受信光の偏波分散の量的把握が必要であり、そのための偏波分散モニタがますます重要な技術となっている。

偏波分散モニタ方式としては、たとえばＤＯＰ（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を利用する方式（非特許文献２）、アイ開口を利用する方式（非特許文献３）、所定周波数により周波数変調された受信光を偏波分離し、それぞれの偏波成分の所定周波数成分の強度を利用する方式（特許文献１）、受光信号のベースバンドクロック周波数の１／２成分および１／４成分の強度を利用する方式（特許文献２）などが提案されている。

特開平７−１７７０８８号公報 特開２０００−３３００７９号公報 Ｄ．ｖａｎ ｄｅｎ Ｂｏｒｎｅ ａｎｄ ｅｔ ａｌ．， "１．６−ｂ／ｓ／Ｈｚ Ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ４０ × ８５．６−Ｇｂ／ｓ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ １，７００ ｋｍ ｏｆ ＳＳＭＦ Ｕｓｉｎｇ ＰＯＬＭＵＸ−ＲＺ−ＤＱＰＳＫ"、ＯＦＣ２００６ Ｊ．Ｃ．Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ ａｎｄ ｅｔ ａｌ．， "Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｍｏｄｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ４０Ｇｂ／ｓ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ"， ｐｐ．２１０１−２１０９， ｎｏ．１２， ｖｏｌ．２０， ＩＥＥＥ ＪＬＴ （２００２年１２月） Ｚｈｉｈｏｎｇ Ｌｉ ａｎｄ ｅｔ ａｌ．，"Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｍｏｄｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ＲＺ−ＤＰＳＫ Ｓｉｇｎａｌｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ−Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ"， ｐｐ．２８５９−２８６６， ｎｏ．７， ｖｏｌ．２４， ＩＥＥＥ ＪＬＴ（２００６年７月） Ｍ．Ｓｅｃｏｎｄｉｎｉ ａｎｄ ｅｔ ａｌ．， "Ａｌｌ−Ｏｒｄｅｒ ＰＭＤ Ｏｕｔａｇｅ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｂｙ Ｍａｒｋｏｖ Ｃｈａｉｎ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ"， ｐｐ．１４１７−１４１９， ｎｏ．７， ｖｏｌ．１７， ＩＥＥＥ ＰＴＬ （２００５年７月）

しかしながら、上述した偏波分散モニタ技術では偏波多重信号の偏波分散をモニタすることができない。

まず、ＤＯＰは単一の偏波状態の信号に対して定義されるものであるため、二つの偏波状態が同時に存在する偏波多重信号においてはＤＯＰが定義できない。従って、偏波多重信号に対してはＤＯＰを利用する偏波分散モニタ方式が利用できない。

また、アイ開口度やベースバンドクロック周波数成分の強度を利用する方式では、偏波多重光を対象とすることが想定されていないので、モニタを行うためには各偏波信号に分離しなければならずモニタが複雑化する。

さらに、アイ開口度を利用する方式では、偏波多重光に偏波分散がない場合でも多重する二つの偏波状態の信号の時間遅延や光強度比等の偏波合成条件によってアイ開口度が変化する。このためにモニタ結果が偏波分散によるものなのか偏波合成条件によるものなのかを判断することができない。

また、ベースバンドクロック周波数成分の強度を利用する方式では、偏波分散量が同じであっても偏波合成条件によってベースバンドクロック周波数成分の強度が増減する。このためにモニタ結果が偏波分散によるものなのか偏波合成条件によるものなのかを判断することができない。

そこで、本発明の目的は、偏波多重光の偏波分散量を簡易にモニタすることができる偏波分散モニタ方法および装置を提供することにある。

本発明による偏波分散モニタは、複数の直線偏光の光信号が偏波多重された偏波多重光の偏波分散をモニタする装置であって、前記偏波多重光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号の周波数成分を分析し、所定周波数成分に基づいて偏波分散モニタ信号を出力する周波数分析手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば偏波多重光の偏波分散量を簡易にモニタすることができる。

１．第１実施形態
図１（Ａ）は本発明の第１実施形態による偏波分散モニタの概略的構成を示すブロック図、図１（Ｂ）および（Ｃ）は偏波分散が発生していない偏波多重光の偏波成分波形図およびそれに対応する電気信号の波形図、図１（Ｄ）および（Ｅ）は偏波分散が発生した偏波多重光の偏波成分波形図およびそれに対応する電気信号の波形図である。

図１（Ａ）において、本実施形態による偏波分散モニタ１０は、偏波多重光を電気信号Ｐに変換する光電変換部１１と電気信号Ｐの周波数分析を行う周波数アナライザ１２とを有する。光電変換部１１は入射する偏波多重光をそのまま電気信号に変換する光センサであり、その電気信号を電気的に増幅する増幅器を含むこともできる。

周波数アナライザ１２は、電気信号Ｐから予め設定された周波数成分を抽出し、その周波数成分の強度を偏波分散量に対応する信号として出力する。後述するように、所定周波数成分の強度と偏波分散量とはある範囲において１対１に対応させることができる。したがって、偏波分散検出部２０に周波数成分の強度と偏波分散量ＤＧＤ(Differential Group Delay)との対応を予め記憶しておけば、周波数アナライザ１２からの周波数成分強度を用いて、入力した偏波多重光の偏波分散量ＤＧＤを検出することができる。

たとえば、２つの光信号がｘ軸方向の直線偏波状態とｙ軸方向の直線偏波状態とに遅延なく偏波合成され、その偏波多重光が光伝送路を通して光電変換部１１に入射した場合を考える。まず、図１（Ｂ）に示すように、偏波多重光に偏波分散が発生せずに光電変換部１１に入射した場合、偏波多重光の光強度波形は、同じ強度波形を有するｘ軸成分とｙ軸成分との和となる。したがって、光電変換部１１が出力する電気信号Ｐの波形は、図１（Ｃ）に示すように、ｘ軸またはｙ軸の一方の光信号の２倍の強度を有する波形に対応する。

これに対して、図１（Ｄ）に示すように、偏波多重光に偏波分散が発生して光電変換部１１に入射した場合、偏波分散量ＤＧＤの発生によってｘ軸成分とｙ軸成分との間に遅延が発生し、偏波多重光の光強度波形は、それら遅延したｘ軸成分とｙ軸成分との和となる。したがって、光電変換部１１が出力する電気信号Ｐの波形は、たとえば図１（Ｅ）に示すように、各パルスの先端部が２つに割れた波形に変化する。このことは、電気信号Ｐの周波数成分が図１（Ｃ）と図１（Ｅ）との間で変化したことを意味し、この周波数成分の変化を偏波分散量ＤＧＤに対応付けることができる。

より具体的には、ｘ軸方向の直線偏波状態の光信号とｙ軸方向の直線偏波状態の光信号とが同じ変調周波数（シンボルレート）のパルス信号である場合、電気信号Ｐの当該変調周波数と同じ周波数成分の強度は偏波分散量ＤＧＤの大きさに依存して変化する。したがって、周波数アナライザ１２によって当該変調周波数と同じ周波数成分を抽出し、その強度から偏波分散検出部２０が偏波分散量ＤＧＤの大きさを検出することが可能となる。したがって、偏波分散検出部２０に周波数成分の強度と偏波分散量ＤＧＤとの対応を予め記憶しておけば、周波数アナライザ１２からの周波数成分強度を用いて、入力した偏波多重光の偏波分散量ＤＧＤを検出することができる。

１．２）第１実施例
上述した光電変換部１１から出力される電気信号Ｐの振幅は、受信する偏波多重光の光強度レベルの変動に影響される。そこで、受信する光強度レベルの変動の影響を除くように周波数成分強度を生成することが望ましい。次に、このような受信光強度レベルの変動の影響を抑制する周波数アナライザ１２の一例を説明する。

図２は本発明の第１実施例による偏波分散モニタの構成を示すブロック図である。なお、図１に示すブロックと同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付す。本実施例によれば、周波数アナライザ１２は、所定周波数成分抽出部１２１、レベル抽出部１２２およびレベル変動抑制部１２３からなる。所定周波数成分抽出部１２１およびレベル抽出部１２２は光電変換部１１から電気信号Ｐを共通に入力する。

所定周波数成分抽出部１２１は、電気信号Ｐの所定周波数Ｂの成分を抽出し、周波数Ｂ成分Ｐ_Ｂをレベル変動抑制部１２３へ出力する。所定周波数Ｂは、上述した偏波多重光におけるｘ軸方向の直線偏波光とｙ軸方向の直線偏波光とに共通する変調周波数あるいはシンボルレートであることが望ましい。所定周波数成分抽出部１２１は、この機能からわかるように、狭帯域のバンドパスフィルタにより実現することができる。

レベル抽出部１２２は、電気信号Ｐの低周波数成分、ここでは直流（ＤＣ）近傍の成分をレベル成分として抽出し、ＤＣ成分Ｐ_DCをレベル変動抑制部１２３へ出力する。レベル抽出部１２２は、この機能からわかるように、ローパスフィルタあるいはＤＣ近傍の低周波数帯バンドパスフィルタにより実現することができる。

レベル変動抑制部１２３は周波数Ｂ成分Ｐ_BとＤＣ成分Ｐ_DCとの比を計算することで、光強度レベルの変動の影響を抑制したモニタ信号Ｐ_RFを生成することができる。したがって、偏波分散検出部２０は、モニタ信号Ｐ_RFを用いて、受信偏波多重光の光強度レベルの変動に影響されない正確な偏波分散量ＤＧＤを求めることができる。

次に、偏波分散量ＤＧＤを求める具体例を説明する。ここでは、レベル変動抑制部１２３が周波数Ｂ成分Ｐ_BのＤＣ成分Ｐ_DCに対する比を計算しモニタ信号Ｐ_RFとして出力する場合を一例として説明する。この場合、比率Ｐ_B／Ｐ_DCの値をＲＦ−ＳＮＲと記すものとする。

図３（Ａ）および（Ｂ）は偏波分散が発生した偏波多重光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、図３（Ｃ）は、偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフである。ただし、送信側においてｘ軸方向の直線偏波状態の光信号とｙ軸方向の直線偏波状態の光信号とが遅延なく合成され、その偏波多重光が光伝送路を通過中に偏波分散ＤＧＤを生じたものとする。また、後述する偏波固有軸角度差θ、すなわち送信側の偏波多重光の偏波固有軸と光伝送路の偏波固有軸との間の角度差は０であるとする。さらに、ｘ軸およびｙ軸方向の直線偏波のシンボルレートＢは５０Ｇｂ／ｓ、１つの光パルスの幅は１ビット幅（＝２０ｐｓ）とし、送信側での偏波合成時の遅延量および偏波分散量ＤＧＤはビット幅に対する比率で表されるものとする。

図３（Ｃ）に示すように、偏波分散量ＤＧＤが０であれば、ｘ軸およびｙ軸方向の直線偏波のタイミングは一致し周波数Ｂ成分が大きな値となるので、５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比は大きい値を示す。偏波分散量ＤＧＤが増加するに従って、図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、周波数Ｂより高い周波数成分が現れるので、相対的に周波数Ｂ成分が小さくなり、その結果、５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比は低下する。そして、偏波分散量ＤＧＤが０．５ビットになると、２倍の周波数２Ｂ成分が最大となり周波数Ｂ成分が実質的になくなるので、５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比は最低値を示す。さらに偏波分散量ＤＧＤが０．５ビットを超えて大きくなると、周波数Ｂ成分が上昇に転じるので、その結果、５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比も最低値から増大する。

このように、偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比は、偏波分散量ＤＧＤが０から１０ｐｓ（０．５ビット）にかけて単調に減少し、１０ｐｓ（０．５ビット）から２０ｐｓ（１ビット）にかけて単調増加する。また、１０ｐｓ（０．５ビット）付近で急峻に変化することがわかる。非特許文献４によれば、ＲＺ化された光信号を受信できる偏波分散量の最大値は約０．５ビット程度であるから、偏波分散量ＤＧＤを求めるには、偏波分散量が０〜０．５ビットの範囲で単調変化すればよい。したがって、図３（Ｃ）の測定結果から本実施例は十分有効であることがわかる。

本実施例によれば、周波数Ｂの成分強度と同時にＤＣ成分強度も検出し、両者の比をモニタすることにより、受信する偏波多重光の光強度変動に影響されることなくＤＧＤによる変動分をモニタすることができる。

１．３）具体例１
以下、本実施例による偏波分散モニタを光伝送システムに適用した一例を詳細に説明する。

図４は本発明の第１実施例による偏波分散モニタを用いた光伝送システムの概略的ブロック構成図である。ここでは、偏波分散モニタ１００が光伝送システム２００の受信側に設けられている。

偏波分散モニタ１００は、基本的に、上述した第１実施例と同様の構成（図２）を有する。ここでは、光電変換部１１として光検出器（ＰＤ）１０１および増幅器１０２、所定周波数成分抽出部１２１として通過中心周波数Ｂ［Ｈｚ］の狭帯域バンドパスフィルタ１０４、レベル抽出部１２２としてローパスフィルタ１０３、レベル変動抑制部１２３として比率計算部１０５がそれぞれ用いられ、さらに比率計算部１０５の出力であるモニタ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１０６が出力段に設けられている。

なお、アナログ−デジタル変換器を増幅器１０２の後段に設けて、狭帯域バンドパスフィルタ１０４、ローパスフィルタ１０３および比率計算部１０５をデジタル信号処理回路あるいはプログラム制御プロセッサ上でのプログラム実行により実現することもできる。

偏波多重光を用いた光伝送システム２００において、光送信器２０１および２０２は同一のシンボルレートＢで変調されたＲＺパルスの光信号を出力するが、光送信器２０１の出力光は偏光合成器２０３の一方の入力ポートに直接入力し、光送信器２０２の出力光は可変遅延器２０４を介して偏光合成器２０３の他方の入力ポートに入力する。光送信器２０１および２０２の出力光は偏光合成器２０３で合成され、光伝送路２１０へ送出される。

光伝送路２１０を通過した偏波多重光は、光分岐器２２０にてその一部が偏波分散モニタ１００へ分岐され、残りが偏光ビームスプリッタ２２１へ出力される。偏光ビームスプリッタ２２１は、偏波多重光を偏波分離し、ｘ軸方向直線偏波の光信号を光受信器２２２へ、ｙ軸方向直線偏波の光信号を光受信器２２３へそれぞれ出力する。

光分岐器２２０で偏波分散モニタ１００へ分岐された偏波多重光は、光検出器１０１にてＯ／Ｅ変換され増幅器１０２で増幅された後、ローパスフィルタ１０３およびバンドパスフィルタ１０４へ出力される。ローパスフィルタ１０３は増幅器１０２からの出力信号のＤＣ成分Ｐ_DCを比率計算部１０５へ出力し、バンドパスフィルタ１０４は増幅器１０２からの出力信号の周波数Ｂ成分Ｐ_Bを比率計算部１０５へ出力する。比率計算部１０５は周波数Ｂ成分Ｐ_BのＤＣ成分Ｐ_DCに対する比を演算し、その結果をＡＤ変換器１０６によりデジタル変換してモニタ信号ＲＦ−ＳＮＲを生成する。

次に、図４に示すシステムの動作について図５〜図８を参照しながら説明する。

図５（Ａ）はｘ軸に平行な直線偏波光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、図５（Ｂ）はｙ軸に平行な直線偏波光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、図５（Ｃ）は偏波分散のない偏波多重光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、図５（Ｄ）は偏波分散が発生した偏波多重光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図である。なお、上述したように、ｘ軸およびｙ軸方向の直線偏波のシンボルレートＢを５０Ｇｂ／ｓ、１つの光パルスの幅を１ビット幅＝２０ｐｓであるとする。

図５（Ａ）に示すように、光送信器２０１からｘ軸に平行な直線偏波のＲＺ化された光信号が送出される。光送信器２０１の出力光はｘ軸方向の偏波成分しかもたないため、光信号強度はｘ軸方向の偏波成分に一致する。また、図５（Ｂ）に示すように、光送信器２０２からｙ軸に平行な直線偏波のＲＺ化された光信号が送出される。光送信器２０２の出力光はｙ軸方向の偏波成分しかもたないため、光信号強度はｙ軸方向の偏波成分に一致する。

上述したように、光送信器２０１の出力光は偏光合成器２０３に直接導かれるが、光送信器２０２の出力光は可変遅延器２０４を介して偏光合成器２０３に導かれる。可変遅延器２０４での遅延量は任意の値に設定可能であるが、後述するように、０ビット遅延（０遅延）あるいは０．５ビット遅延（１０ｐｓ遅延）に固定することが望ましい。可変遅延器２０４での遅延量が０ビットであれば、図５（Ｃ）に示すような偏波多重光が偏波合成器２０３から出力され光伝送路２１０に入射する。

偏波多重光が光伝送路２１０を通過中に偏波分散が発生し、図５（Ｄ）に示すように、ｘ軸偏波光とｙ軸偏波光との間にτだけの時間差（偏波分散量ＤＧＤ）が発生したとする。この場合、偏波多重光の強度波形は、図５（Ｃ）から図５（Ｄ）のように変化する。すなわち、上述したように、光分岐器２２０に到達する偏波多重光の強度波形は偏波分散量τに依存する。この強度波形の変化の具体例を図６に示す。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、偏波分散量τがビット幅２０ｐｓに対して０．３〜０．５倍であるときの受信偏波多重光の強度波形をそれぞれ示すグラフである。

図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、偏波分散量τが０．３ビットから０．４ビットに増加すると、受信偏波多重光の強度波形に周波数Ｂ＝５０ＧＨｚより高い周波数成分が現れる。偏波分散量τが０．５ビットになると、図６（Ｃ）に示すように、実質的に周波数Ｂ＝５０ＧＨｚの成分は現れなくなる。したがって、偏波分散量τが０．３ビットから０．５ビットに変化するに従って、受信偏波多重光の強度波形における５０ＧＨｚの周波数成分の強度が次第に低下する。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、偏波分散量τがビット幅２０ｐｓに対して０．３〜０．５倍であるときの電気信号Ｐの周波数スペクトルをそれぞれ示すグラフである。ただし、ここでは、光検出器１０１に入力される光強度は一定としてある。

図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、偏波分散量τが増加するに従って、５０ＧＨｚの周波数成分の強度が減少し、０．５ビットで０になることがわかる。すなわち、上述したように、５０ＧＨｚの周波数成分の強度をモニタすることにより、偏波分散量τを求めることができる。

さらに、図７（Ａ）〜（Ｃ）のグラフからわかるように、偏波分散量τが変化してもＤＣ成分はほとんど変化しない。すなわち、図７に示す周波数スペクトルの分布曲線は、偏波分散量τに関係なく、入力した偏波多重光の光強度が増減するに伴って上下にシフトする。したがって、偏波分散量τが一定の場合、受信した偏波多重光の光強度が変動しても、そのＤＣ成分強度と５０ＧＨｚ成分強度との比率は変化しない。この現象を利用することで、５０ＧＨｚ成分強度そのものをモニタする代わりに、５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比率をモニタすることによって、受信した偏波多重光の光強度変動に起因する変動分を抑圧することができる。すなわち、比率計算部１０５によって５０ＧＨｚ成分Ｐ_BとＤＣ成分Ｐ_DCとの強度比を演算することで、正確なモニタ信号ＲＦ−ＳＮＲを得ることができる。

１．４）固定遅延量の設定
上述したように、送信側の可変遅延器２０４による固定遅延量を決定することで、モニタ信号ＲＦ−ＳＮＲの偏波分散量ＤＧＤに対する変化の様子を変えることができる。

図８（Ａ）は、送信側においてｘ軸偏波光とｙ軸偏波光とが０ビットの固定遅延で合成され、その偏波多重光が光伝送路を通過中に偏波分散ＤＧＤを生じた場合の偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、送信側においてｘ軸偏波光とｙ軸偏波光とが０．５ビットの固定遅延で合成され、その偏波多重光が光伝送路を通過中に偏波分散ＤＧＤを生じた場合の偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフである。ただし、偏波固有軸角度差θ＝０°であるとする。

図８（Ａ）に示すように、ｘ軸偏波光とｙ軸偏波光とが０ビットの固定遅延で合成された場合には、偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比は、偏波分散量ＤＧＤが０から１０ｐｓ（０．５ビット）にかけて単調に減少し、１０ｐｓ（０．５ビット）から２０ｐｓ（１ビット）にかけて単調増加する。また、１０ｐｓ（０．５ビット偏波分散）付近で急峻に変化することがわかる。

これに対して、図８（Ｂ）に示すように、ｘ軸偏波光とｙ軸偏波光とが０．５ビットの固定遅延で合成された場合には、偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比は、偏波分散量ＤＧＤが０から１０ｐｓ（０．５ビット）にかけて単調に増加し、１０ｐｓ（０．５ビット）から２０ｐｓ（１ビット）にかけて単調に減少する。また、０ｐｓ（０．５ビット固定遅延）付近で急峻に変化することがわかる。

いずれにしても、比率計算部１０５によって５０ＧＨｚ成分Ｐ_BとＤＣ成分Ｐ_DCとの強度比ＲＦ−ＳＮＲを求めることで、受信した偏波多重光の光強度レベル変動に影響されることなく、強度比ＲＦ−ＳＮＲに対応する偏波分散量ＤＧＤを０．５ビットの範囲で正確に決定することができる。

１．５）効果
上述したように、図４に示す偏波分散モニタ１００では、ローバスフィルタ１０３が受光信号強度波形のＤＣ成分強度を検出し、バンドパスフィルタ１０４が５０ＧＨｚ成分強度を検出し、比率計算部１０５がＤＣ成分強度に対する５０ＧＨｚ成分強度の比を算出することで偏波多重光の強度変動の影響を抑制することができる。

更に、本実施例によれば、次のような効果を得ることもできる。

（１）本実施例による偏波分散モニタ１００は構成が簡単である。その理由は、光検出部１０１と狭帯域バンドパスフィルタ１０３，１０４があれば作製可能であるためである。その結果、必要な部品点数が少なくなり、製造コストが安価になる。

（２）本実施例による偏波分散モニタ１００は使用方法が簡単である。その理由は、モニタ対象とする偏波多重光の一部を光分岐器２２０によって分岐するだけで偏波分散をモニタすることができ、制御や初期設定が不要であるためである。その結果、作業工数が少なくてすむ。

（３）本実施例による偏波分散モニタ１００は高感度である。その理由は、図８に例示するように、モニタ結果が最小となる偏波分散値付近での変化率が急峻であるためである。

（４）本実施例による偏波分散モニタ１００は測定自由度が高い。図８に例示するようにモニタ結果が急峻に変化する領域が送信側の固定遅延量を調整することにより可変できるため、感度よくモニタしたい偏波分散値を任意に設定できるためである。

（５）本実施例による偏波分散モニタ１００はスケーラビリティが高い。その理由は、狭帯域バンドパスフィルタの通過中心周波数を変えるだけで任意のシンボルレートの偏波多重光の偏波分散をモニタすることができ、偏波多重伝送路中の任意の位置で使用可能なためである。

２．第２実施形態
上述したように、本発明の第１実施例によれば、偏波多重光のレベル変動の影響を抑制することができる。しかしながら、受信した偏波多重光の強度波形の所定周波数成分強度は、偏波多重光のレベル変動だけではなく、送信側の偏波多重光の偏波固有軸と光伝送路の偏波固有軸との間の角度差θの変動によっても変化することに注意する必要がある。すなわち、偏波分散量が同じ値であっても、偏波固有軸の角度差θが変化すると偏波分散モニタで分析される周波数スペクトルの成分強度が変化してしまう。角度差θは、光伝送路の温度変化や加えられる圧力変化等によって変化するため、一定値に固定することが実際問題として困難である。

そこで、本発明の第２実施形態は、送信される偏波多重光の偏波固有軸を時間的にランダムに変化させることにより偏波固有軸角度差θの変動の影響を抑制しようとするものである。以下詳述する。

図９は本発明の第２実施形態による偏波モニタシステムの概略的構成を示すブロック図である。なお、図１に示す偏波分散モニタと同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付している。

図９において、偏波スクランブラ３０はｘ軸方向およびｙ軸方向の偏波多重光の偏波固有軸をランダムに変化させて光伝送路４０へ送出する。この偏波スクランブル速度は、光伝送路４０の偏波固有軸や偏波分散量の変動に比べて十分速いことが必要である。偏波スクランブル速度が遅いと、光伝送路４０の偏波固有軸や偏波分散量の変動が無視できなくなるからである。偏波分散モニタ１０の構成および動作は第１実施形態と同様であるから説明は省略する。

上述したように、周波数Ｂの成分強度が偏波多重光の光伝送路入力端における２つの固有偏波モードへの分配比の変動や、受信する偏波多重光の光強度によっても変動する。本実施例によれば、偏波スクランブルを行うことにより分配比を時間平均し、これに起因する周波数Ｂの成分の強度変動を抑圧する。さらに、周波数Ｂの成分強度と同時にＤＣ成分強度も検出し、両者の比をモニタすることにより、受信する偏波多重光の光強度変動に影響されることなくＤＧＤによる変動分をモニタすることができる。

２．１）第２実施例
以下、本発明の第２実施例による偏波分散モニタシステムに適用した一例を詳細に説明する。ここでは、第１実施例による偏波分散モニタ（図２参照）における周波数アナライザ１２を用いて偏波多重光のレベル変動の影響を抑制する構成を採用する。

図１０は本発明の第２実施例による偏波分散モニタシステムの概略的ブロック構成図である。なお、図４に示すブロックと同一機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。

光伝送システム２００では可変遅延器２０４が０．５ビットの固定遅延に設定され、光送信器２０２からの出力光が０．５ビット遅延して光送信器２０１からの出力光と偏波合成される。偏光合成器２０３により偏波合成された偏波多重光は偏波スクランブラ２３０を通して光伝送路２１０へ送出される。

偏波スクランブラ２３０は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の偏波多重光の偏波状態を時間的にランダムに変化させる。偏波スクランブル速度は、光伝送路２１０の偏波固有軸や偏波分散量の変動が追従しないように十分速い速度に設定される。その他の構成は、偏波分散モニタ１００も含めて、第１実施例の具体例で述べたとおりであるから、ここでは繰り返さない。

２．２）偏波スクランブルによる平均化
図１１は偏波多重光の偏波固有軸と光伝送路の偏波固有軸との角度差を説明するための図である。ｘ−ｙ軸が偏光合成器２０３から出力される偏波多重光の偏波固有軸を表しており、ｘ'−ｙ'軸が光伝送路２１０の入力端における偏波固有軸を表している。固有偏波モードへの分配比の変化は、入力直線偏光の軸と光伝送路２１０の固有軸との角度差、すなわちｘ−ｙ軸とｘ'−ｙ'軸のなす角度θの変化で表される。この偏波固有軸角度差θに起因する変動抑圧について詳細に説明する。

図１２（Ａ）は偏波固有軸角度差θ＝０°、送信側の固定遅延量０．５ビットの時の偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフ、図１２（Ｂ）は角度差θをパラメータとした５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフ、図１２（Ｃ）は偏波スクランブルによって時間平均された５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比のグラフである。

図１２（Ｂ）に示すように、偏波分散量ＤＧＤが同じ値であっても、偏波固有軸角度差θが変化すると５０ＧＨｚ成分強度が変化してしまうことがわかる。上述したように、角度差θは光伝送路の温度変化や圧力変化等によって変化するから一定値に固定することは事実上困難である。そこで、偏波スクランブラ２３０によって偏波多重光の偏波固有軸を光伝送路２１０の偏波固有軸や偏波分散量の変動が追従しない程度に十分速く、時間的にランダムに変化させる。これによって、角度差θの変動が平均化され、結果的に５０ＧＨｚ成分強度の変動も平均化され角度差θの変動の影響を抑制することができる。

図１２（Ｃ）は、図１２（Ｂ）に示す角度差θ＝０〜９０°でランダム変化させることで、結果的に平均化された５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比を示す。この平均化された５０ＧＨｚ成分強度の偏波分散量ＤＧＤに対する変化の様子は、図１２（Ａ）に示す角度差θ＝０°の時の変化の様子と同様である。すなわち、角度差θを時間平均することによって角度差θに起因する５０ＧＨｚ成分強度の変動が抑圧できていることがわかる。ただし、偏波スクランブラ２３０のスクランブル速度が遅いと角度差θに起因する５０ＧＨｚ成分強度変動が無視できなくなるため、偏波スクランブル速度は、角度差θの変動に比べて十分高速に行う必要がある。

こうして偏波分散検出部２０は、平均化されたモニタ信号ＲＦ−ＳＮＲを用いて偏波分散量ＤＧＤを正確に求めることができる。

２．３）効果
上述したように、図１０に示す偏波スクランブラ２３０および偏波分散モニタ１００を用いたシステムでは、偏波スクランブラ２３０によって偏波多重光の偏波固有軸を時間的にランダムに変化させることで角度差θの変動に起因する５０ＧＨｚ成分強度の変動を平均化することができ、角度差θの変動の影響を抑制することができる。さらに、偏波分散モニタ１００では、バンドバスフィルタ１０３が受光信号強度波形のＤＣ成分強度を検出し、バンドパスフィルタ１０４が５０ＧＨｚ成分強度を検出し、比率計算部１０５がＤＣ成分強度に対する５０ＧＨｚ成分強度の比を算出することで偏波多重光の強度変動の影響を抑制することができる。すなわち、本実施例によれば、偏波多重光の強度および偏波固有軸角度差θの変動の影響を共に抑制することができる。

更に、本実施例によれば、次のような効果を得ることもできる。

（１）本実施例による偏波分散モニタ１００は構成が簡単である。その理由は、光検出部１０１と狭帯域バンドパスフィルタ１０３，１０４があれば作製可能であるためである。その結果、必要な部品点数が少なくなり、製造コストが安価になる。

（２）本実施例による偏波分散モニタ１００は使用方法が簡単である。その理由は、モニタ対象とする偏波多重光の一部を光分岐器２２０によって分岐するだけで偏波分散をモニタすることができ、制御や初期設定が不要であるためである。その結果、作業工数が少なくてすむ。

（３）本実施例による偏波分散モニタ１００は高感度である。その理由は、図８に例示するように、モニタ結果が最小となる偏波分散値付近での変化率が急峻であるためである。

（４）本実施例による偏波分散モニタ１００は測定自由度が高い。図８に例示するようにモニタ結果が急峻に変化する領域が送信側の固定遅延量を調整することにより可変できるため、感度よくモニタしたい偏波分散値を任意に設定できるためである。

（５）本実施例による偏波分散モニタ１００はスケーラビリティが高い。その理由は、狭帯域バンドパスフィルタの通過中心周波数を変えるだけで任意のシンボルレートの偏波多重光の偏波分散をモニタすることができ、偏波多重伝送路中の任意の位置で使用可能なためである。

３．適用例
図１３は本発明による偏波分散モニタを適用した偏波多重光ネットワークの一例を示す概略的ネットワーク図である。ここでは、４つの光ノード３００１〜３００４が光伝送路３０１０〜３０１６によってそれぞれ接続され、偏波多重光が伝送される光ネットワークを例示し、偏波分散の増大を検出したときにワーキングパスをプロテクションパスに切り替える場合を説明する。

図１３に示す光ネットワークにおいて、光ノード３００１を起点とし、光伝送路３０１０、光ノード３００２、光伝送路３０１１を順に通過し、光ノード３００３を終点とする光パス３０３０を例にとる。本発明による偏波分散モニタ３０２０〜３０２３が光パス３０３０の起点から終点の間で光ノード３００１〜３００３の各々の入出力に配備されているものとする。

この光パス３０３０のいずれかの地点、一カ所において偏波分散Ｘが発生したとする。簡単のため、他の箇所では偏波分散は０であるとすれば、偏波分散モニタ３０２０〜３０２３の偏波分散検出により、次のようにして偏波分散Ｘの発生箇所を絞り込むことが可能である。光パス３０３０の一カ所で偏波分散Ｘが発生した場合、偏波分散モニタ３０２３にて偏波分散Ｘが検出される。偏波分散モニタ３０２０における偏波分散が０の場合には、光ノード３００１では偏波分散Ｘが発生していないことがわかる。

次に、偏波分散モニタ３０２１における偏波分散モニタ値が０の場合には、光ノード３００１、光伝送路３０１０の両方で偏波分散が０であることがわかる。偏波分散モニタ３０２２における偏波分散モニタ結果がＸの場合、偏波分散モニタ３０２１の偏波分散が０であることから、偏波分散モニタ３０２１と偏波分散モニタ３０２２との間で偏波分散Ｘが発生していることになる。偏波分散モニタ３０２１と偏波分散モニタ３０２２との間には光ノード３００２が配置されているので、偏波分散Ｘは光ノード３００２で発生していることが特定できる。

そこで、光パス終点である光ノード３００３は、光パス起点である光ノード３００１に対して、光パス３０３０に送信している信号を光伝送路３０１６に切り替えるリクエストを光伝送路３０１６を通して送信する。光ノード３００３からのリクエストを受けた光ノード３００１は、光パス３０３０にて光ノード３００３に送出している信号を、光伝送路３０１６に切り替えることにより光通信の品質を維持することができる。

本発明は偏波多重光の偏波分散を検出するモニタおよびモニタシステム一般に適用可能である。

（Ａ）は本発明の第１実施形態による偏波分散モニタの概略的構成を示すブロック図、（Ｂ）および（Ｃ）は偏波分散が発生していない偏波多重光の偏波成分波形図およびそれに対応する電気信号の波形図、（Ｄ）および（Ｅ）は偏波分散が発生した偏波多重光の偏波成分波形図およびそれに対応する電気信号の波形図である。 本発明の第１実施例による偏波分散モニタの構成を示すブロック図である。 （Ａ）および（Ｂ）は偏波分散が発生した偏波多重光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、（Ｃ）は、偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフである。 本発明の第１実施例による偏波分散モニタを用いた光伝送システムの概略的ブロック構成図である。 （Ａ）はｘ軸に平行な直線偏波光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、（Ｂ）はｙ軸に平行な直線偏波光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、（Ｃ）は偏波分散のない偏波多重光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図、（Ｄ）は偏波分散が発生した偏波多重光の偏波成分波形図およびその光強度の波形図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、偏波分散量τがビット幅２０ｐｓに対して０．３〜０．５倍であるときの受信偏波多重光の強度波形をそれぞれ示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｃ）は、偏波分散量τがビット幅２０ｐｓに対して０．３〜０．５倍であるときの電気信号Ｐの周波数スペクトルをそれぞれ示すグラフである。 （Ａ）は、送信側においてｘ軸偏波光とｙ軸偏波光とが０ビットの固定遅延で合成され、その偏波多重光が光伝送路を通過中に偏波分散ＤＧＤを生じた場合の偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフであり、（Ｂ）は、送信側においてｘ軸偏波光とｙ軸偏波光とが０．５ビットの固定遅延で合成され、その偏波多重光が光伝送路を通過中に偏波分散ＤＧＤを生じた場合の偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による偏波モニタシステムの概略的構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施例による偏波分散モニタシステムの概略的ブロック構成図である。 偏波多重光の偏波固有軸と光伝送路の偏波固有軸との角度差を説明するための図である。 （Ａ）は偏波固有軸角度差θ＝０°、送信側の固定遅延量０．５ビットの時の偏波分散量ＤＧＤに対する５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフ、（Ｂ）は角度差θをパラメータとした５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比の変化を示すグラフ、（Ｃ）は偏波スクランブルによって時間平均された５０ＧＨｚ成分とＤＣ成分との比のグラフである。 本発明による偏波分散モニタを適用した偏波多重光ネットワークの一例を示す概略的ネットワーク図である。

符号の説明

１０ 偏波分散モニタ
１１ 光電変換部
１２ 周波数アナライザ
２０ 偏波分散検出部
１００ 偏波分散モニタ
１０１ 光検出部
１０２ 増幅器
１０３ ローパルフィルタ
１０４ バンドバスフィルタ
１０５ 比率計算部
１０６ ＡＤ変換器
１２１ 所定周波数成分抽出部
１２２ ＤＣ成分抽出部
１２３ レベル変動抑制部
２００ 光伝送システム
２０１ 光送信器
２０２ 光送信器
２０３ 偏光合成部
２０４ 可変遅延器
２１０ 光伝送路
２２０ 光分岐器
２２１ 偏光ビームスプリッタ
２２２ 光受信器
２２３ 光受信器
２３０ 偏波スクランブラ
３００１〜３００４ 光ノード
３０１０〜３０１６ 光伝送路
３０２０〜３０２３ 偏波分散モニタ
３０３０ 光パス

Claims (15)

1. 複数の直線偏光の光信号が偏波多重された偏波多重光の偏波分散をモニタする装置において、
   前記偏波多重光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、
   前記電気信号の波形の周波数成分を分析し、所定周波数成分に基づいて偏波分散モニタ信号を出力する周波数分析手段と、
   を有することを特徴とする偏波分散モニタ。
2. 前記周波数分析手段は、
   前記電気信号から前記複数の光信号のシンボルレート周波数成分と低周波数成分とをそれぞれ抽出する抽出手段と、
   前記シンボルレート周波数成分の強度レベル変動を前記低周波数成分の強度を用いて抑制して前記偏波分散モニタ信号を生成するレベル変動抑制手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の偏波分散モニタ。
3. 前記偏波多重光を構成する前記複数の光信号の間で所望の遅延量が設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波分散モニタ。
4. 複数の直線偏光の光信号が偏波多重された偏波多重光の偏波分散をモニタする方法において、
   前記偏波多重光を受光して電気信号に変換し、
   前記電気信号の波形の周波数成分を分析し、
   所定周波数成分に基づいて偏波分散モニタ信号を生成する、
   ことを特徴とする偏波分散モニタ方法。
5. 前記偏波分散モニタ信号は、前記電気信号から前記複数の光信号のシンボルレート周波数成分と低周波数成分とをそれぞれ抽出し、前記シンボルレート周波数成分の強度レベル変動を前記低周波数成分の強度を用いて抑制することにより生成される、ことを特徴とする請求項４に記載の偏波分散モニタ方法。
6. 送信側において、前記複数の光信号の間で所望の遅延量を設定した後で偏波合成することで前記偏波多重光が生成されることを特徴とする請求項４または５に記載の偏波分散モニタ方法。
7. 送信側において、前記偏波多重光の偏波状態をランダムに変化させて光伝送路へ送出することを特徴とする請求項４−６のいずれか１項に記載の偏波分散モニタ方法。
8. 送信側で複数の直線偏光の光信号が偏波多重されて光伝送路へ送出され、前記光伝送路を伝送する偏波多重光からその偏波分散をモニタするシステムであって、
   前記送信側に設けられ、前記偏波多重光の偏波状態をランダムに変化させる偏波スクランブル手段と、
   前記偏波多重光を前記光伝送路から受光して電気信号に変換する光電変換手段と、
   前記電気信号の波形の周波数成分を分析し、所定周波数成分に基づいて偏波分散モニタ信号を出力する周波数分析手段と、
   を有することを特徴とする偏波分散モニタシステム。
9. 前記周波数分析手段は、
   前記電気信号から前記複数の光信号のシンボルレート周波数成分と低周波数成分とをそれぞれ抽出する抽出手段と、
   前記シンボルレート周波数成分の強度レベル変動を前記低周波数成分の強度を用いて抑制して前記偏波分散モニタ信号を生成するレベル変動抑制手段と、
   を有することを特徴とする請求項８に記載の偏波分散モニタシステム。
10. 前記偏波多重光を構成する前記複数の光信号の間で所望の遅延量を設定する可変遅延手段を更に有することを特徴とする請求項８または９に記載の偏波分散モニタシステム。
11. 請求項１に記載の偏波分散モニタを光ノードの受信端および／または送信端に光学的に接続した光伝送ネットワーク。
12. 請求項８に記載の偏波分散モニタシステムを有する光伝送ネットワーク。
13. 前記偏波分散モニタ信号は偏波分散量に対応づけられた前記所定周波数成分の強度変化を示すことを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の偏波分散モニタ。
14. 前記偏波分散モニタ信号は偏波分散量に対応づけられた前記所定周波数成分の強度変化を示すことを特徴とする請求項４−７のいずれか１項に記載の偏波分散モニタ方法。
15. 前記偏波分散モニタ信号は偏波分散量に対応づけられた前記所定周波数成分の強度変化を示すことを特徴とする請求項８−１０のいずれか１項に記載の偏波分散モニタシステム。

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